一种基于搅拌摩擦焊连接的泡沫铝夹芯板的制备方法

摘要

一种基于搅拌摩擦焊连接的泡沫铝夹芯板的制备方法，包括以下步骤:（1）制备两个泡沫铝夹芯板预制体；（2）进行表面处理；（3）将两个表面处理预制体的垂直于水平面的端面对接；（4）进行搅拌摩擦焊接，搅拌针的转速为400~1200rpm，焊接速度为100~200mm/min；（5）将焊接预制体置于加热炉中进行发泡。本发明的方法可以制备面板结合强度高的泡沫铝夹芯板焊接预制体，可制备出大尺寸、整体膨胀率高、面板平整度好且芯层泡孔连续性好的泡沫铝夹芯板；本发明的方法工艺路线简单，可以规模化生产。

说明书

技术领域

本发明属于泡沫铝夹芯板制备技术领域，具体涉及一种基于搅拌摩擦焊连接的泡沫铝夹芯板的制备方法。

背景技术

泡沫铝夹芯板作为一种新兴的多孔复合材料，相较于传统金属材料，具有很多独特的理化性能，如质轻、比刚度和比强度高、较佳的吸能、吸声隔声及电磁屏蔽性能等;该材料经过特殊设计及装配，可作为一种集结构性与功能性为一体的材料；该类材料在航空航天、交通运输领域中的轻量化设计，应用于城市建设及发动机隔板类的消声结构，以及利用其吸能特性制造车辆防撞梁及装甲车底盘等，均具有很高的应用价值和发展前景。

近年来，泡沫铝夹芯板材料受到越来越多的重视，对于其工艺的探索不断深入和发展，其制备方法主要包括胶粘法、熔体发泡法、粉末冶金法、渗流铸造法等。由于具有面板/芯层界面冶金结合特征的泡沫铝夹芯板具有良好的力学性能，因此，开发制备芯层与面板实现牢固冶金结合的大尺寸泡沫铝夹芯板成为该技术领域的主要研究方向。德国学者BanhartJ在文献《Aluminium Foam Sandwich Panels：Manufacture，Metallurgy andApplications》中公开的泡沫铝夹芯板的尺寸规格可以达到长×宽为2m×1m，但是这仍然难以完全满足工业应用的需求。因此，开发一种实用性技术来实现泡沫铝夹芯板的高质量连接，突破泡沫铝夹芯板生产的尺寸问题，这对于泡沫铝夹芯板的应用具有重要意义。

目前，泡沫铝夹芯板的连接方法主要包括胶粘连接和焊接连接两种。胶粘法是最常用的方法，它是利用环氧树脂等黏结剂将作为芯层的泡沫铝与铝、铝合金等面板粘结在一起，生产成本低，操作简单。但是胶粘法制得的泡沫铝夹芯板面板/芯层界面的结合强度较低，耐腐蚀性差、受黏结剂限制不能在高温下使用，易老化。焊接法主要包括钎焊、激光焊、压焊等。钎焊是利用低熔点的钎料熔化实现泡沫铝夹芯板的对接连接，但钎焊时因泡沫铝孔结构的毛细作用，钎料会发生复杂的三维流动。目前，适合焊接泡沫铝的钎料在焊缝处会生成脆性的金属间化合物或共晶组织，降低焊缝的性能。激光焊接可以将泡沫铝夹芯板的表层有效的连接起来，但是芯层泡孔之间没有形成可靠连接，并且随着功率增大，芯层泡孔会熔化塌陷而遭到破坏。压焊是一种具有半固相/固相连接特点的焊接方法，但是由于泡沫铝夹芯板特殊的孔结构，压焊过程中产生的顶锻力会严重破坏泡沫铝夹芯板的孔结构。

目前，泡沫铝夹芯板的连接主要是对发泡后的夹芯板进行连接，由于芯层泡沫铝特殊的孔结构，增加了泡沫铝夹芯板的焊接难度，导致现有的焊接方法主要是实现了面板间的连接，而芯层泡孔之间没有实现有效连接，焊缝处芯层泡孔连续性差。由此可见，焊接发泡后的泡沫铝夹芯板难度较大，而且很难实现界面区域芯层泡孔之间的连接。

专利CN105478994A中具体公布了一种泡沫铝夹芯三明治构件的拼焊成形方法，将发泡剂与稳定剂混合后均匀分布在中间铝合金板材上，将中间铝合金板材叠放在底面板材上，然后在中间铝合金表面叠放一层铝合金，采用搅拌摩擦焊进行多道次焊接，制备泡沫铝夹芯板预制体，之后利用搅拌摩擦焊将泡沫铝夹芯板预制体与其他合金金属之间进行拼焊，发泡获得泡沫铝夹芯板和合金板焊接的构件。搅拌摩擦焊是一种针对镁铝及合金等轻质有色金属开发的新型固相连接技术，具有焊接变形小、无裂纹、无气孔等优点。此方法虽然可以制备泡沫铝夹芯板预制体，但是生产工艺复杂，不适合大规模生产；利用搅拌摩擦焊进行泡沫铝夹芯板与合金板拼焊时，需要满足特殊的角度来确保膨胀率，要求两个焊接件的法线交线角度小于180°，这就要求焊缝需要满足特定的形状来确保泡沫铝夹芯板的膨胀率，增加了焊接难度，而且生产的泡沫铝夹芯板与其他合金的构件在焊缝处芯层泡孔结构无法保证，且膨胀率无法控制，因此生产的泡沫铝夹芯板与合金板的构件面板平整度差。

发明内容

为解决现有泡沫铝夹芯板连接方法存在的上述技术问题，本发明提供一种基于搅拌摩擦焊连接的泡沫铝夹芯板的制备方法，通过焊接泡沫铝夹芯板预制体，之后进行发泡，实现芯层泡孔连续性，生产大尺寸、面板平整度好的泡沫铝夹芯板，对焊接角度无特殊要求，焊缝处芯层泡孔结构好、膨胀率高。

本发明的方法包括以下步骤:

1、制备两个泡沫铝夹芯板预制体；每个泡沫铝夹芯板预制体由芯层粉体及其两侧的上表层面板和下表层面板组成；两个泡沫铝夹芯板预制体的厚度相同；每个泡沫铝夹芯板预制体均有一个垂直于水平面的端面；

2、对两个泡沫铝夹芯板预制体进行表面处理，获得两个表面处理预制体；

3、将两个表面处理预制体的垂直于水平面的端面对接，使两个上表层面板的一个侧边相连接，两个下表层面板的一个侧边相连接；相连接的两个上表层面板的厚度相同，相连接的两个下表层面板的厚度相同；

4、采用搅拌摩擦焊机分别对两个上表层面板连接处和两个下表层面板连接处进行搅拌摩擦焊接，搅拌针的转速为400~1200rpm，焊接速度为100~200mm/min，轴肩压下量为0.1~0.2mm，获得焊接预制体；

5、将焊接预制体置于加热炉中进行发泡，制成泡沫铝夹芯板。

上述的步骤1中，上表层面板和下表层面板的厚度为1.0~2.11mm。

上述的步骤1中，泡沫铝夹芯板预制体采用公开号CN 108705084 A的专利《一种工业用大尺寸泡沫铝夹芯板的制备方法》记载的预制板坯的制备方法制成。

上述的步骤2中，表面处理是先将两个侧面打磨去除杂质，然后用氢氧化钠溶液清洗两个侧面去除油污，再用水洗去除氢氧化钠溶液，最后风干去除水分。

上述的步骤4中，搅拌摩擦焊机的搅拌针材质为H13模具钢，搅拌针的轴肩直径为12~18mm，搅拌针的长度为0.8~2.5mm。

上述的步骤4中，进行搅拌摩擦焊接时，搅拌摩擦焊机的搅拌针压入保压时间为3~5s，提起保压时间为1~2s。

上述的步骤4中，进行搅拌摩擦焊接时，焊接接头为对接接头，焊缝为线性焊缝。

上述的步骤4中，进行搅拌摩擦焊接时，搅拌摩擦焊机的搅拌针倾斜角度为1°~3°。

上述的步骤4中，进行搅拌摩擦焊接前，预先在水平方向通过夹具对两个表面处理预制体施加挤压力，使两个上表层面板和两个下表层面板在连接处紧密接触；开始搅拌摩擦焊接时，利用搅拌摩擦焊接的轴肩下压力使轴肩下的芯层粉末受力挤压变形，增加焊缝处芯层粉末的致密度。

上述的步骤5中，将焊接预制体的上下表面涂覆石墨，用于发泡时均匀吸热，然后置于加热炉内进行发泡。

上述的步骤5中，先将加热炉升温至620~630℃，然后将焊接预制体置于加热炉内，在540~620℃条件下进行发泡，时间为15~20min，最后取出空冷至常温。

上述的步骤5中，泡沫铝夹芯板的膨胀率为430~620%。

本发明利用搅拌摩擦焊焊缝组织细化和固相与半固相焊接的特点，对泡沫铝夹芯板预制体进行表层铝板的焊接；在焊接时，可以针对不同厚度的面板，采取不同长度的搅拌针进行焊接；利用搅拌摩擦焊的特性，表层面板在实现高强度连接的同时，还可以确保焊接时芯层粉末的氢化钛不会受热分解，使焊接后的泡沫铝夹芯板预制体具有良好的发泡能力；虽然焊接阶段只对泡沫铝夹芯板发泡预制体的表层面板施焊，但利用焊接过程面板的热输入可以使芯层粉末的致密度提高；发泡阶段，焊接后泡沫铝夹芯板预制体的焊缝区域芯层粉体受热熔化，同时发泡剂分解释放气体，在这两个冶金过程的协同作用下焊缝处的芯层粉末出现了明显的界面融合，表现为发泡结束冷却后泡沫铝夹芯板焊缝处的芯层泡孔具有突出的连续性及一体化特征。

本发明的方法解决了目前生产泡沫铝夹芯板的尺寸问题；通过该方法可以制备面板结合强度高的泡沫铝夹芯板焊接预制体，将现有的预制体的尺寸放大一倍以上，能够通过多段连接将预制体多次焊接放大，通过发泡后，可制备出整体膨胀率高、面板平整度好且芯层泡孔连续性好的泡沫铝夹芯板，对于大尺寸泡沫铝夹芯板在汽车制造和航空航天等战略领域的推广应用具有重要意义；本发明的方法工艺路线简单，可以规模化生产。

附图说明

图1为本发明的基于搅拌摩擦焊连接的泡沫铝夹芯板的制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例1的焊接预制体的焊缝的外观照片图；

图3为本发明实施例1的焊接预制体的焊缝的截面外观照片图；

图4为本发明实施例1中搅拌摩擦焊的轴肩压下量示意图；

图5为本发明实施例中大尺寸泡沫铝夹芯板的焊缝处外观照片图；

图6为本发明实例1的大尺寸泡沫铝夹芯板截面的外观照片图；

图7为本发明实例2的大尺寸泡沫铝夹芯板截面的外观照片图；

图8为本发明实例3的大尺寸泡沫铝夹芯板截面的外观照片图。

具体实施方式：

本发明实施例中采用的搅拌摩擦焊机为北京赛福斯特技术有限公司研制的型号为FSW-5LM-020式数控焊机。

本发明的泡沫铝夹芯板预制体中，芯层厚度为3.4~4.5mm。

本发明的焊接预制体的长度为240mm，宽度为240mm。

本发明实施例中，表面处理是先将两个侧面打磨去除杂质，然后用氢氧化钠溶液清洗两个侧面去除油污，再用水洗去除氢氧化钠溶液，最后风干去除水分。

本发明实施例中氢氧化钠溶液的浓度为10mol/L。

本发明实施例中泡沫铝夹芯板预制体采用公开号CN 108705084 A的专利《一种工业用大尺寸泡沫铝夹芯板的制备方法》记载的预制板坯的制备方法制成，步骤包括准备金属粉末和发泡剂氢化钛，混合后制成芯层合金粉末，然后向管状型腔内装填，对管状型腔进行密封，进行冷轧-烧结-热轧，裁边处理。

本发明实施例中的管状型腔外观为长方体结构。

本发明实施例中进行搅拌摩擦焊接时，预制体法线相平行。

以下为本发明优选实施例。

实施例1

流程如图1所示；

将铝粉、硅粉、铜粉、镁粉和发泡剂氢化钛粉混合，混合均匀得到芯层混合粉末；芯层混合粉末按质量百分比为Si 6%；Mg 4%，Cu 4%，发泡剂1%，其余为Al；铝粉、硅粉和镁粉的粒度在100~400目；铜粉和氢化钛粉的粒度在400~1000目；管状型腔采用6061铝合金，采用冷轧、烧结与热轧相结合的方式，将芯层粉末装在密封的管状型腔内，最后裁边形成至少一个垂直于水平面的端面，制成泡沫铝夹芯板预制体；

制备两个尺寸相同的泡沫铝夹芯板预制体，上表层面板和下表层面板的厚度均为1.0mm，芯层厚度均为4.46mm；

对两个泡沫铝夹芯板预制体进行表面处理，获得两个表面处理预制体；

将两个表面处理预制体的垂直于水平面的端面对接，使两个上表层面板的一个侧边相连接，两个下表层面板的一个侧边相连接；

进行搅拌摩擦焊接前，预先在水平方向通过夹具对表面处理预制体施加挤压力，使两个上表层面板和两个下表层面板在连接处紧密接触；

开始搅拌摩擦焊接时，利用搅拌摩擦焊接的轴肩下压力使轴肩下的芯层粉末受力挤压变形，增加焊缝处芯层粉末的致密度；轴肩压下量为0.1mm，如图4所示；

采用搅拌摩擦焊机分别对两个上表层面板连接处和两个下表层面板连接处进行搅拌摩擦焊接，搅拌针的转速为400rpm，焊接速度为120mm/min，获得焊接预制体；搅拌摩擦焊机的搅拌针材质为H13模具钢，搅拌针的轴肩直径为12mm，搅拌针的长度为1.0mm；进行搅拌摩擦焊接时，搅拌摩擦焊机的搅拌针压入保压时间为3s，提起保压时间为1s；

进行搅拌摩擦焊接时，焊接接头为对接接头，焊缝为线性焊缝；搅拌摩擦焊机的搅拌针倾斜角度为2°；

焊接预制体的焊缝的外观照片如图2所示；焊缝的截面外观照片如图3所示；

将焊接预制体的上下表面涂覆石墨，用于发泡时均匀吸热；

先将加热炉升温至620℃，然后将焊接预制体置于加热炉内，在610℃条件下进行发泡，时间为15min，最后取出空冷至常温；大尺寸泡沫铝夹芯板的膨胀率为456%；

泡沫铝夹芯板的焊缝处外观照片如图5所示；泡沫铝夹芯板的截面外观照片如图6所示；由图可见，面板平整度好，焊缝处芯层泡孔结构好，与其他部分的芯层泡孔没有明显区别；经三点弯曲试验，泡沫铝夹芯板未在焊缝处断裂。

实施例2

方法同实施例1，不同点在于：

（1）管状型腔采用3003铝合金；

（2）泡沫铝夹芯板预制体的表层面板厚度均为1.5mm，芯层厚度均为3.55mm；

（3）轴肩压下量为0.15mm；拌针的转速为800rpm，焊接速度为110mm/min，搅拌针的轴肩直径为14mm，搅拌针的长度为1.5mm；搅拌摩擦焊机的搅拌针压入保压时间为4s，提起保压时间为2s；搅拌摩擦焊机的搅拌针倾斜角度为1°；

（4）在615℃条件下进行发泡，发泡时间为18min；泡沫铝夹芯板的膨胀率为445%；

泡沫铝夹芯板截面的外观照片如图7所示。

实施例3

方法同实施例1，不同点在于：

（1）管状型腔采用3003铝合金；

（2）泡沫铝夹芯板预制体的表层面板厚度均为2.11mm，芯层厚度均为3.49mm；

（3）轴肩压下量为0.2mm；拌针的转速为1200rpm，焊接速度为100mm/min，搅拌针的轴肩直径为16mm，搅拌针的长度为2.1mm；搅拌摩擦焊机的搅拌针压入保压时间为5s，提起保压时间为2s；搅拌摩擦焊机的搅拌针倾斜角度为3°；

（4）在620℃条件下进行发泡，时间为20min；泡沫铝夹芯板的膨胀率为602%；

泡沫铝夹芯板截面的外观照片如图8所示。